(57)【要約】【課題】  プラスチック等の圧痕の輪郭を認識しにくい、もしくは正確な輪郭の認識が不可能な材料でも、正確に硬度を計測することのできる押し込み型硬度計を提供する。【解決手段】  被測定試料Ｗの表面を照明する照明手段４内に、被測定試料Ｗの表面に対して複数の補助線Ｌを写し出すための補助線投影要素４３を設け、撮像手段１７の出力を用いた画像処理手段２２では、撮像手段により撮像かれた画像から、各補助線Ｌが圧痕Ｐの輪郭Ｐｃにより屈曲した変曲点Ｌｉを検出して、その各変曲点Ｌｉを結ぶ線から圧痕Ｐの輪郭を推定してその対角線長さを算出することにより、圧痕Ｐの輪郭Ｐｃ自体の認識ができなくても、正確に圧痕Ｐの大きさを求めることを可能とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、得られた圧痕の大きさと押し込み荷重とから試料の硬度を求める押し込み型硬度計において、
試料表面を照明する照明手段と、照明された試料表面を拡大光学系を介して撮像する撮像手段と、その撮像手段の出力を用いた画像処理により上記圧痕の大きさを求める画像処理手段と、求められた圧痕の大きさと圧子の押し込み荷重とから試料の硬度を算出する演算手段を備えるとともに、上記照明手段内に、試料表面に対して複数本の補助線を写し出す補助線投影要素が設けられ、上記画像処理手段は、上記撮像手段の出力に現れる各補助線の上記圧痕による変曲点を繋ぐ線から当該圧痕の輪郭を求めることを特徴とする押し込み型硬度計。
【請求項２】
上記補助線投影要素が、透明部材に複数の不透明な線を平行もしくは格子状に描画した光学要素であることを特徴とする請求項１に記載の押し込み型硬度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、四角錐状の圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、その圧痕の大きさと押し込み荷重とから材料の硬さを計測する、ビッカース硬度計やヌープ硬度計等の押し込み型硬度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビッカース硬度計やヌープ硬度計においては、一般に、四角錐状の圧子を試料表面に所定荷重のもとに押圧し、試料表面に形成された圧痕の対角線長さと押圧荷重とから、その試料の硬さを求める。
【０００３】
従来のこの種の硬度計は、圧子の負荷機構と、その圧子による試料表面の圧痕を観察するための観察装置を備えたものが一般的であり、観察装置としては、光学顕微鏡のほか、ＣＣＤカメラ等の撮像装置とその出力に基づく画像を表示する表示器などが採用されている。
【０００４】
ＣＣＤカメラ等の撮像装置を備えたものにおいては、撮像した画像データを用いた画像処理により圧痕の対角線長さを自動的に求めて硬度を算出するものが実用化されている。  画像処理により圧痕の対角線長さを自動的に求める従来の硬度計においては、圧痕の画像データから圧痕の４辺の境界（輪郭）を抽出し、その各辺の境界を直線近似変換し、これにより得られる圧痕の各辺に相当する直線の交点を圧痕の角隅部としてその座標を求め、その各座標から圧痕の対角線長さを算出する方法が採用されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
また、他の従来の硬度計では、画像処理時間を短縮化するために、圧痕の画像データを縮小処理し、その縮小された画像から圧痕の４つの角隅部の近傍領域を抽出し、その各角隅部近傍の小領域ごとに２値化などを行い、圧痕の境界（輪郭）を直線近似して角隅部の点の座標を求め、対角線長さを求めている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１−３１２４４１号公報
【特許文献２】特開平７−２１８４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、以上のような画像処理により対角線長さを求める従来の硬度計では、いずれも、基本的には圧痕の境界（輪郭）からその周囲の４辺の全部もしくは一部を抽出し、その各辺から４つの角隅部の座標を求めている。この方式は、被測定試料が金属などの表面の反射率の高い材料の場合においては、図７に例示するように、圧痕Ｐの全体が被測定試料の表面Ｓに対して明確に黒くなり、圧痕Ｐの輪郭形状を容易に認識できるが故に有効であるが、例えばプラスチックなどにおいては、圧痕の輪郭を認識することが極めて困難もしくは不可能であり、このような材料では、上記した従来の技術では圧痕の対角線長さを求めることができず、ひいては硬度を算出することができないという問題があった。
【０００７】
本発明の課題は、プラスチック等の圧痕の輪郭を認識しにくい、もしくは正確な輪郭の認識が不可能な材料でも、正確に硬度を計測することのできる押し込み型硬度計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の押し込み型硬度計は、四角錐形状の圧子を所定の荷重のもとに試料表面に押し込み、得られた圧痕の大きさと押し込み荷重とから試料の硬度を求める押し込み型硬度計において、試料表面を照明する照明手段と、照明された試料表面を拡大光学系を介して撮像する撮像手段と、その撮像手段の出力を用いた画像処理により上記圧痕の大きさを求める画像処理手段と、求められた圧痕の大きさと圧子の押し込み荷重とから試料の硬度を算出する演算手段を備えるとともに、上記照明手段内に、試料表面に対して複数本の補助線を写し出す補助線投影要素が設けられ、上記画像処理手段は、上記撮像手段の出力に現れる補助線の上記圧痕による変曲点を繋ぐ線から当該圧痕の輪郭を求めることによって特徴づけられる（請求項１）。
【０００９】
ここで、本発明においては、上記補助線投影要素として、透明部材に複数の不透明な線を平行もしくは格子状に描画した光学要素を好適に採用することができる（請求項２）。  本発明は、試料表面に対して複数の補助線を写し出し、その補助線の像が圧痕により屈曲することを利用して、圧痕の輪郭を捉えようとするものである。
【００１０】
すなわち、試料表面を照明するための照明手段内に、例えば透明部材に不透明な線を描画した要素を配置することにより、その線を圧痕を含む試料表面に投影するとともに、その線を拡大光学系を介して撮像手段で撮像したとき、試料表面に対して四角錐状に窪んでなる圧痕の内側は試料表面に対して傾斜した面となるため、投影された線の像は圧痕の輪郭部分において屈曲したものとなる。本発明では、このような線を補助線として、複数の補助線を試料表面に投影して圧痕を含む試料表面を拡大光学系を介して撮像して、画像処理によってその各線の変曲点を繋ぐことにより、圧痕の４辺を推定して輪郭を認識する。これにより、圧痕の輪郭自体の認識が困難もしくは不可能であっても、画像処理による対角線長さを求めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プチスチックなどの圧痕の輪郭を認識しにくい、もしくは正確な輪郭の認識が不可能な材料でも、画像処理により圧痕の輪郭を正確に推定してその大きさを求めることができ、正確な硬度を計測することが可能となった。
【００１２】
また、請求項２に係る発明のように、補助線を写し出すための補助線投影要素として、ガラスなどの透明部材に複数の不透明な線を平行もしくは格子状に描画したものを用いることにより、ハード的には簡単な光学要素を追加するだけで上記の作用効果を達成することができ、低コストで課題を解決することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図であり、試験機本体１の側面図と機能的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１４】
試験機本体１は、ベース部１１の奥側からコラム部１２が立ち上がった構造を持ち、ベース部１１には、水平面上で互いに直交するｘ，ｙ軸方向、並びに鉛直のｚ軸方向に移動可能でその上面に被測定試料Ｗを載せるための試料ステージ１３が設けられている。コラム部１２はその上端部が試料ステージ１３の上方に突出し、その突出部分の下面にｚ軸の回りに回動可能なレボルバ１４が設けられ、そのレボルバ１４に圧子１５ａの装着部１５と、光学顕微鏡の対物レンズ１６ａが設けられている。
【００１５】
また、コラム部１２には光学顕微鏡の接眼レンズ１６ｂと、対物レンズ１６ａを介して被測定試料Ｗの表面を撮像するＣＣＤカメラ１７が配置されている。更に、このコラム部１２の内部に、圧子１５ａをｚ軸方向に移動させる負荷機構が設けられており、この負荷機構の駆動により被測定試料Ｗの表面に圧子１５ａを所要の圧力のもとに押し込むことができる。また、同じくコラム部１４の内部には、対物レンズ１６ａおよびＣＣＤカメラ１７等からなる撮像光学系のほかに、被測定試料Ｗの表面を照明する照明光学系が内蔵されている。この撮像光学系および照明光学系の詳細については後述する。
【００１６】
圧子１５ａの押し込みにより被測定試料Ｗの表面に生じた圧痕は、レボルバ１４を回動させて対物レンズ１６ａと圧子１５ａとの位置を入れ替えることにより、接眼レンズ１６ｂを介して眼で観察し、あるいはＣＣＤカメラ１７によって撮像することができる。なお、ベース部１１の内部には、負荷機構などを制御する制御回路が収容されている。
【００１７】
ＣＣＤカメラ１７の出力は演算装置２の画像取り込み部２１に取り込まれ、画像処理部２２により後述する画像処理が施されて圧痕の対角線長さが求められる。その求められた対角線長さは硬度演算部２３に送られ、圧子１５ａの押し込み荷重を用いて、被測定試料Ｗの硬度が算出される。この算出結果についても、表示器３に表示される。なお、演算装置２は、実際にはパーソナルコンピュータとその周辺機器によって構成され、インストールされているプログラムに従った機能を実現すべく動作するのであるが、図１においては、説明の便宜上、それぞれの機能ごとのブロック図で示している。
【００１８】
図２は試験機本体１内に内蔵している撮像光学系と照明光学系の構成図である。
撮像光学系３は、前記した対物レンズ（拡大光学系）１６ａとＣＣＤカメラ１７によって構成され、照明光学系４は、光源ランプ４１およびその光を集光して被測定試料Ｗの表面に導くための３つのレンズ４２ａ，４２ｂおよび４２ｃからなる集光レンズ系４２を主体として構成されているとともに、レンズ４２ｂと４２ｃの間の焦点位置に、補助線投影要素４３が配置されている。この補助線投影要素４３は、図３にその構成例を正面図で示すように、透明材料、例えば平板状のガラス４３ａの表面に、互いに平行な複数本の黒色の線４３ｂを一定のピッチで描画したものなどを用いることができる。
【００１９】
ＣＣＤカメラ１７と対物レンズ１６ａの間にはハーフミラー３１が設けられており、照明光学系４からの光はこのハーフミラー３１によって反射されて対物レンズ１６ａを介して被測定試料Ｗの表面に導かれる。このとき、レンズ４２ｂと４２ｃの間に配置されている補助線投影要素４３の各線４３ｂが被測定試料Ｗの表面に補助線として写し出される。また、被測定試料Ｗの表面で反射した光は対物レンズ１６ａで拡大されたうえで、ハーフミラー３１を透過してＣＣＤカメラ１７の像面１７ａに結像する。
【００２０】
以上の構成において、被測定試料Ｗの表面に圧子１５ａを押し込んで圧痕を形成した後、照明光学系４により被測定試料Ｗの表面を照明した状態でＣＣＤカメラ１７により撮像すると、上記した補助線投影要素４３の各黒線４３ｂによる補助線の像が、圧痕の輪郭部分で屈曲した状態となる。
【００２１】
すなわち、図４に撮像光学系４の作用説明図を示すように、被測定試料Ｗの平坦な表面Ｗｓに対して、圧痕Ｐの表面Ｐｓは傾斜した状態となるから、被測定試料Ｗの表面Ｗｓから反射した光が実線で示す通りに進んで像面１７ａに入射するのに対し、圧痕Ｐ内の表面Ｐｓから反射した光は破線で示す通りに進んで像面１７ａに入射する。なお、図４においてＦｒは対物レンズ１６ａの後側焦点である。
【００２２】
以上の結果、図５にＣＣＤカメラ１７により撮像した圧痕Ｐの近傍の像を例示するように、圧痕Ｐの輪郭Ｐｃ自体は不鮮明であっても、各補助線Ｌは、圧痕Ｐの輪郭Ｐｃにおいて変曲点Ｌｉを形成する。
【００２３】
前記した画像処理部２２では、ＣＣＤカメラ１７の出力を用いて、各補助線Ｌの変曲点Ｌｉを検出し、その各変曲点Ｌｉを結んで圧痕Ｐの輪郭Ｐｃを推定する。具体的には、各変曲点Ｌｉを結んだ線の交点を圧痕Ｐの４つの頂点Ｐａとしてその座標を求め、対角線長さを算出する。
【００２４】
このようにして求められた対角線長さは硬度演算部２３に送られ、その対角線長さと圧子１５ａの押し込み荷重とから被測定試料Ｗの硬度が算出される。
【００２５】
以上の実施の形態によると、プラスチックなどの表面の反射率の低い材料のように圧痕の輪郭を明確に認識できない場合でも、正確にその対角線長さ、ひいては硬度を求めることができる。
【００２６】
なお、以上の実施の形態においては、補助線を試料表面に写し出すための補助線投影要素として、ガラス等の透明な平板に複数本の黒線を互いに平行に描画したものを用いたが、図６に例示するように、同様な透明平板４３ａ上に黒線４３ｂを格子状に描画してもよい。この場合、圧痕の輪郭による変曲点がより多く形成されるが故に好ましい。
【００２７】
また、以上の実施の形態では、複数の黒線を試料表面に投影した例を示したが、これを逆転、つまり複数のスリットを形成した補助線投影要素を配置して、そこを通過した光のみが試料表面に照射されるように構成することにより、試料表面に線状の明るい補助線を投影することもできる。この場合、補助線以外の領域には照明が当たらなくなるため、特に必要な場合のみ照明光学系内に補助線投影要素を挿入することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態の構成図であり、試験機本体１の側面図と機能的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における試験機本体１内に内蔵している撮像光学系と照明光学系の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態における補助線投影要素４３の構成例を示す正面図である。
【図４】本発明の実施の形態における撮像光学系４の作用説明図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるＣＣＤカメラ１７による圧痕Ｐの近傍の像の例を示す図である。
【図６】補助線投影要素の他の構成例を示す正面図である。
【図７】金属等の表面の反射率の高い材料の圧痕の撮像結果の例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  試験機本体
１１  ベッド部
１２  コラム部
１３  試料ステージ
１４  レボルバ
１５  圧子装着部
１５ａ  圧子
１６ａ  対物レンズ
１６ｂ  接眼レンズ
１７  ＣＣＤカメラ
２  演算装置
２１  画像取り込み部
２２  画像処理部
２３  硬度演算部
３  撮像光学系
３１  ハーフミラー
４  照明光学系
４１  光源ランプ
４２  集光レンズ系
４３  補助線投影要素
４３ａ  平板状のガラス
４３ｂ  黒線
Ｗ  被測定試料
Ｗｓ  被測定試料の表面
Ｐ  圧痕
Ｐａ  圧痕の頂点
Ｐｓ  圧痕内部の表面
Ｐｃ  圧痕の輪郭
Ｌ  補助線
Ｌｉ  変曲点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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